資源枯竭型礦井殘留煤柱安全高效回收技術(shù)研究與應(yīng)用

吳正海+林偉+李新杰

摘 要：為了提高煤炭采出率，延長資源枯竭型礦井的服務(wù)年限，針對百善煤礦現(xiàn)有巷道布置情況，研究設(shè)計(jì)殘留煤柱的經(jīng)濟(jì)高效回收系統(tǒng)，提出了不規(guī)則殘留煤柱綜采提效和懸移支架炮采提產(chǎn)技術(shù)，安全高效回收殘留煤150余萬噸，創(chuàng)造了良好經(jīng)濟(jì)效益，為資源枯竭型礦井殘留煤柱安全高效回采提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：殘留煤柱；高效；綜采；懸移支架

引言

皖北煤電集團(tuán)百善煤礦經(jīng)過三十余年的高強(qiáng)度開采，資源儲量已近枯竭，回采殘余煤柱在一定程度上能提高煤炭的采出率，延長礦井的服務(wù)年限[1]。百善煤礦針對現(xiàn)有巷道布置情況，研究設(shè)計(jì)殘留煤柱的經(jīng)濟(jì)高效回收系統(tǒng)和工作面過老巷的安全技術(shù)措施，滿足了工作面安全穩(wěn)定生產(chǎn)，節(jié)約成本，減少了資源浪費(fèi)，為其他礦區(qū)開采煤柱提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 礦井剩余地質(zhì)儲量情況

2015年初，礦井剩余地質(zhì)儲量為469.6萬噸，剩余可采儲量為169.3萬噸，東65采區(qū)目前剩余654煤柱5、東65煤柱兩個工作面，北部系統(tǒng)采區(qū)目前剩余北大巷煤柱一個工作面，中央采區(qū)剩余工廣煤柱1和工廣煤柱2兩個工作面。煤柱分布如圖1所示。

2 衰老礦井煤柱回收問題分析

（1）技術(shù)方面：目前礦井已全面進(jìn)入回收殘余煤柱階段，這就造成布置的工作面回采期間穿跨大巷、采區(qū)巷道、聯(lián)巷繞道極為頻繁，如采取綜采工藝，考慮支架自重及初撐力較大，在老巷加固處理方式上存在難點(diǎn)；不規(guī)則煤柱存在開采期間減架、甩采等環(huán)節(jié)，需超前研究制定回采細(xì)節(jié)方案及措施，不然將嚴(yán)重制約推進(jìn)度，影響產(chǎn)能提升；剩余孤島煤柱周邊均為老空區(qū)，且大多已成型巷道為無煤柱沿空施工，導(dǎo)致綜采面組裝、拆除硐室布置十分困難。

（2）安全方面：采用綜采生產(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)接替、人員配置、采煤工藝、技術(shù)保障、設(shè)備維護(hù)等礦井主要運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)上發(fā)生大幅度的變化，可能造成一定的安全隱患。

（3）設(shè)備配備及材料供應(yīng)方面：綜采支架和采煤機(jī)組設(shè)備陳舊且數(shù)量較少；由于回采巷道需要重新布置，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)量增加，支護(hù)材料和膠帶輸送機(jī)需求量增大；另外由于綜采面的上馬導(dǎo)致供電系統(tǒng)需更新配套，方可滿足各綜采面之間的運(yùn)轉(zhuǎn)及接替。

3 殘留煤柱安全高效開采實(shí)踐

經(jīng)過生產(chǎn)規(guī)劃方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，對地質(zhì)條件及系統(tǒng)條件較好、工作面走向較長和面長較穩(wěn)定的北大巷煤柱、工廣煤柱1、工廣煤柱2三個工作面采用綜采工藝；對地質(zhì)和系統(tǒng)條件較差的654煤柱5、東65煤柱采用懸移支架炮采工藝。限于篇幅，本文僅對北大巷煤柱綜采工藝和東65煤柱懸移支架炮采工藝進(jìn)行闡述。

3.1 不規(guī)則殘余煤柱綜采提效

3.1.1 工作面概況

北大巷煤柱工作面位于北部集中皮帶機(jī)巷、北部集中運(yùn)道兩翼，如圖2所示。西側(cè)靠近6812、6811、6810、689、688、687、686采空區(qū)；北側(cè)靠近6410、64北部煤柱采空區(qū)；東側(cè)靠近646、645、644、643、642、641采空區(qū)；南側(cè)靠近68南翼煤柱、624采空區(qū)。該設(shè)計(jì)工作面走向長858～891m，傾斜寬83～139m。煤層平均煤厚2.7m，傾角4～14°，煤層底板賦存標(biāo)高為-198.3～-153.2m，該區(qū)域煤厚變異系數(shù)為5%，煤層可采性指數(shù)為1。工作面設(shè)計(jì)可采面積97129m2，地質(zhì)儲量38.6萬噸，可采儲量36.7萬噸。直接頂以灰～深灰色粉砂巖為主，厚4.1～7.6m，致密，均一，局部顯水平微波狀層理，大部分地段有一層厚約0.3m的煤線。工作面地質(zhì)構(gòu)造相對簡單。

3.1.2 采煤方法及主要設(shè)備配備

工作面采用單一走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，一次采全高，采用端頭斜切進(jìn)刀割三角煤的方式，往返一次進(jìn)二刀。工作面布置98架ZZ4000-17/35型液壓支架，采用MG160/390-WD型螺旋滾筒采煤機(jī)割煤，工作面SGZ-730/400型刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤。機(jī)巷采用一部SGB-630/150型刮板輸送機(jī)、SZZ-730/160型轉(zhuǎn)載機(jī)、SSJ-1000型膠帶輸送機(jī)和一部SGW-40T刮板輸送機(jī)運(yùn)煤。（1）采煤機(jī)割煤至工作面左端頭時，依次拉架，并將刮板運(yùn)輸機(jī)推移至煤壁；（2）調(diào)換滾筒上下位置，反向牽引，通過彎曲段，然后自下而上推移輸送機(jī)至平直狀態(tài)；（3）再重新返刀割掉三角煤；（4）采煤機(jī)空機(jī)返回，進(jìn)入正常割煤狀態(tài)。

3.1.3 工作面縮減架

由于該煤柱工作面不規(guī)則，在工作面推進(jìn)到風(fēng)巷645、643段時，需要進(jìn)行兩次縮減支架施工，其中645段拆除23架、643段拆除16架。為確保施工安全，提前編制設(shè)計(jì)和安全技術(shù)措施，并組織專業(yè)隊(duì)伍施工。

3.1.4 過老巷期間的安全管理

由于該工作面走向較長，面內(nèi)垮冒老巷較多。工作面過老巷前要認(rèn)真排查老巷層位，頂?shù)装宓劝踩珷顩r，并制定專項(xiàng)措施。工作面揭露老巷時，要及時跟機(jī)拉超前架，并打開護(hù)幫板及時支護(hù)。揭露老巷后，加強(qiáng)該范圍內(nèi)的頂板支護(hù)，確保支架初撐力合格，支架間隙及側(cè)護(hù)板錯距符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)禁出現(xiàn)歪架、擠架或支架超高使用[2]。

3.2 懸移支架炮采提產(chǎn)

3.2.1 工作面概況

東65煤柱工作面位于五采區(qū)北部，該工作面東部為6541、6542采空區(qū)，西部為六五皮帶機(jī)巷下山，北部至6540機(jī)巷，南部為654煤柱5風(fēng)巷。工作面設(shè)計(jì)走向長336m，傾斜寬137～197m。東65煤柱工作面煤層厚度3.0m左右；煤層傾角5～12°，平均煤層傾角9°。煤層呈黑色，半亮型，以碎塊狀為主，局部為粉狀，性脆，具內(nèi)生裂隙。煤厚變異系數(shù)12%，煤層可采性指數(shù)1。直接頂以淺灰～深灰色砂泥巖互層為主，具緩波狀水平層理，厚6.2～8.8m，工作面地質(zhì)構(gòu)造相對簡單。

3.2.2 回采工藝與設(shè)備

該工作面采用放炮采煤方法，一次采全高。工作面采取以懸移支架支護(hù)為主，液壓單體支柱配合鉸接頂梁支護(hù)為輔的支護(hù)形式。工作面爆破后，由人工將放落的煤裝入刮板輸送機(jī)，由刮板輸送機(jī)運(yùn)出，運(yùn)輸巷采用刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)運(yùn)煤。以液壓單體配合金屬鉸接頂梁支護(hù)段作業(yè)工序：打眼→裝藥→爆破→掛梁（臨時支護(hù)）→栽背幫柱→出煤→移車→補(bǔ)正規(guī)柱→回柱。以懸移支架支護(hù)段工序：打眼→裝藥→收回翻轉(zhuǎn)梁→爆破→伸開翻轉(zhuǎn)梁臨時支護(hù)→出煤→提起四根立柱→收回翻轉(zhuǎn)梁→移頂梁、立柱→升起四根立柱→伸開翻轉(zhuǎn)梁護(hù)住煤幫→移車→移托梁→清理工作面浮煤。工作面生產(chǎn)設(shè)備配置如表1所示。

3.2.3 超前巷道的圍巖變形控制措施

采用金屬錨架聯(lián)合支護(hù)方式，如圖3所示。該聯(lián)合支護(hù)的一個重要的作用是將棚架作為錨桿索的托盤，讓這個在主動支護(hù)中原本用于約束圍巖變形的主承載結(jié)構(gòu)（托盤）由被動支護(hù)的主體棚架來承擔(dān)，實(shí)現(xiàn)了主動支護(hù)與被動支護(hù)充分結(jié)合，使得棚架同時兼?zhèn)渲鲃又ёo(hù)與被動支護(hù)兩種形式的主體部分，達(dá)到支護(hù)效果的最佳體現(xiàn)。具體支護(hù)參數(shù)如下：金屬工字鋼棚架規(guī)格：11#工字鋼，棚頂與棚腿搭接長度為100mm，連接處用卡勾卡住，棚排距650mm。錨桿規(guī)格：錨桿采用Φ18×2000mm左旋無縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每根錨桿采用2卷K2350樹脂藥卷，底部錨桿距下端750mm，上部兩排錨桿間距700mm。傳載短梁規(guī)格：10#槽鋼，長850mm，槽鋼腹板緊貼棚腿，槽鋼的腹板中心部位開設(shè)直徑21mm的圓孔作為錨桿的穿孔；在槽鋼兩端各開設(shè)直徑25mm的圓孔，距兩端30mm，圓孔用于安裝M20×90mm的螺栓，目的是防止工字鋼變形失穩(wěn)。單體支柱規(guī)格：采用DW31.5礦用單體液壓支柱，單體支柱直接支護(hù)在工字鋼棚架梁上，間距650mm，距離巷幫300mm。

4 效益分析

通過不斷優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)，及時對臨近采空區(qū)、頻繁過老峒以及回采過程中縮減支架、調(diào)斜回采等重點(diǎn)問題的分析總結(jié)，已安全高效回采殘余煤150余萬噸，創(chuàng)造了良好經(jīng)濟(jì)效益，延長了礦井的服務(wù)年限，創(chuàng)新實(shí)踐了不規(guī)則殘留煤柱綜采提效和懸移支架炮采提產(chǎn)技術(shù)，為資源枯竭型礦井殘留煤柱安全高效回采提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]林偉，吳正海.百善煤礦殘留煤柱安全高效回收技術(shù)研究與實(shí)踐[J].能源技術(shù)與管理，2014，39（1）：82-83.

[2]張建堂，王坤，辛東京，等.衰老礦井提高資源回收率的技術(shù)研究[J].安徽科技，2014，4：49-50.

作者簡介：吳正海（1981-），男，安徽安慶人，工程碩士，采礦工程師，現(xiàn)任皖北煤電集團(tuán)百善煤礦生產(chǎn)技術(shù)科副科長，長期從事采煤生產(chǎn)與技術(shù)管理工作，發(fā)表論文十余篇。